Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И СВЯЗИ

Изобретение относится к области моделирования и может быть использовано при проектировании радиоэлектронных, технических систем для оценки показателей результативности их функционирования.

Толкование терминов, используемых в заявке

Под системой управления понимается совокупность людей, программно-технических устройств, обеспечивающих организацию того или иного процесса с целью решения возложенных на нее задач (Основы управления связью Российской Федерации / В.Б. Булгак, Л.Е. Варакин, А.Е. Крупнов и др.; Под ред. А.Е. Крупнова и Л.Е. Варакина. - М.: Радио и связь, 1998. - 184 с.; стр. 8).

Под системой связи понимается организационно-техническое объединение средств связи, развернутых в соответствии с решаемыми задачами и принятой системой управления для обмена всеми видами сообщений (информации) между пунктами (узлами связи), органами и объектами управления (Ермишян А.Г. Теоретические основы построения систем военной связи в объединениях и соединениях: Учебник. Часть 1. Методологические основы построения организационно-технических систем военной связи. СПб.: ВАС, 2005. - 740 с., стр. 74).

Под элементами системы связи понимаются средства и линии связи (Федеральный закон "О связи". 8.07.2003.Принят Государственной Думой 18 июня 2003 года).

Известен способ моделирования, реализованный в изобретении («Устройство для моделирования отказов и восстановлений средств связи», патент РФ №2295759, G06F 17/00, G06N 1/00, опубл. 20.03.2007, бюл. №8). Способ заключается в имитации возникновения повреждений средств связи, имитации эксплуатационных отказов, имитации проведения технического обслуживания средств связи, имитации перехода средств связи в неработоспособное состояние при возникновении отказов и повреждений, имитации прекращения работы при проведении технического обслуживания средств связи, имитации восстановления средств связи.

Известен способ моделирования, реализованный в изобретении РФ («Способ моделирования отказов и повреждений сетей связи», патент №2351012, класс G06N 5/00, опубл. 27.03.2009, бюл. №9). Способ заключается в имитации процессов возникновения отказов, повреждений, сбоев элементов сетей связи, имитации подавления сетей связи, имитации фиксации времени нахождения в работоспособном состоянии сетей связи, имитации фиксации времени нахождения в неработоспособном состоянии сетей связи, имитация определения коэффициента готовности сетей связи, имитации восстановления сетей связи.

Наиболее близким по своей технической сущности и выполняемым функциям аналогом-прототипом к заявленному является способ реализованный в изобретении РФ («Способ моделирования преднамеренных повреждений элементов сети связи», патент №№2449366, класс G06N 5/00, опубл. 27.04.2012).

Способ-прототип заключается в том, что нумеруют элементы сети связи, генерируют время возникновения повреждений элементов сети связи, определяют начало очередной статистической реализации на время Δt, соответствующее времени работы сети связи, определяют показатель относительной структурной значимости каждого элемента сети связи, рассчитывают количество поврежденных элементов сети связи, разыгрывают номер поврежденного элемента сети связи с учетом показателя относительной структурной значимости каждого элемента сети связи, проверяют факт наступления события повреждения элементов сети связи, фиксируют номера поврежденных элементов сети связи, проверяют техническое состояние элементов сети связи, фиксируют общее время нахождения их в работоспособном состоянии T_p, а также фиксируют общее время нахождения элементов сети связи в неработоспособном состоянии T_н, рассчитывают коэффициент готовности K_г.

Общим недостатком и аналогов и прототипа является низкая достоверность оценки моделируемых процессов из-за отсутствия имитации: расположения элементов системы управления и связи (СУС) в трехмерном пространстве, воздействий средств поражения на элементы системы управления и связи в трехмерном пространстве, определения вида ремонта с учетом вида повреждения и определения номенклатуры запасного имущества и принадлежностей (ЗИП), прогнозирования технического состояния элементов системы управления и связи с учетом времени воздействий средств поражения и времени нахождения элементов системы управления и связи в неработоспособном состоянии, определения коэффициента оперативной готовности системы управления и связи, а также не моделируется система управления во взаимодействии с системой связи.

Задачей изобретения является создание способа моделирования СУС, позволяющего расширить функциональные возможности способа-прототипа, а также повысить достоверность оценки моделируемых процессов за счет имитации: расположения элементов СУС в трехмерном пространстве, воздействий средств поражения (СП) на элементы системы управления и связи в трехмерном пространстве, определения вида ремонта с учетом вида повреждения и определения номенклатуры запасного имущества и принадлежностей (ЗИП), прогнозирования технического состояния элементов СУС с учетом времени воздействий СП и времени нахождения элементов системы управления и связи в неработоспособном состоянии, определения коэффициента оперативной готовности системы управления и связи.

Задача решается тем, что в способ моделирования СУС, заключающийся в том, что моделируют развертывание СУС, моделируют определение значения показателя относительной структурной значимости СУС, моделируют определение технического состояния элементов СУС, моделируют определение общего времени нахождения их в работоспособном состоянии, моделируют определение общего времени нахождения элементов СУС в неработоспособном состоянии, моделируют определение коэффициента готовности СУС, дополнительно введены следующие действия: моделируют расположение элементов СУС в трехмерном пространстве, моделируют применение СП на время Δt по элементам СУС, моделируют измерение расстояния от точки подрыва СП до элемента СУС, моделируют определение параметров повреждения элементов СУС, моделируют сравнение значений параметров повреждений элементов СУС с требуемыми значениями, моделируют определение номенклатуры и количества ЗИП для проведения ремонта, моделируют определение вида ремонта элементов СУС, моделируют прогнозирование технического состояния элементов СУС с учетом времени воздействий СП и времени нахождения элементов СУС в неработоспособном состоянии, моделируют определение коэффициента оперативной готовности системы управления и связи, моделируют сравнение коэффициента оперативной готовности с его требуемым значением, моделируют фиксацию полученного значения коэффициента оперативной готовности и вывод информации лицу принимающего решение, производят остановку процесса моделирования.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного способа, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ.

Заявленный способ поясняется чертежом, на котором показана:

фиг. 1 - схема моделирующего алгоритма распределенной системы управления и связи;

фиг. 2 - составные части (СЧ), комплексных аппаратных связи (КАС), представляемые в трехмерной системе координат.

Реализовать заявленный способ можно в виде моделирующего алгоритма системы управления и связи, представленного на фиг. 1.

В блоке 1 задают (вводят) исходные данные, необходимые для развертывания СУС: N - элементов СУС, включающих М - КАС; значения показателя относительной структурной значимости элементов СУС; схемы повреждения КАС; ресурс СП, выделенный для применения на интервале времени Δt (количество СП и их характеристики); требуемые значения: критериальный параметр поражения СЧ КАС - h_{ст.треб}, коэффициент готовности - К_{г треб.}, коэффициент оперативной готовности - К_{ог треб}.

Структурно-топологическое построение СУС и входящих в ее состав элементов предполагает ее представление количественными показателями через соответствующие параметры, а также описание состава, конфигурации и взаимосвязи отдельных элементов (Основы построения систем и сетей передачи информации. Учебное пособие для вузов / В.В. Ломовицкий, А.И. Михайлов, К.В. Шестак, В.М. Щекотихин; под. ред. В.М. Щекотихина - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 382 с., стр. 57).

В блоке 2 моделируют топологию СУС в трехмерном пространстве, при этом моделируют измерения геометрических размеров расположения элементов СУС в трехмерном пространстве и моделируют измерения геометрических размеров КАС, представляющих собой совокупность СЧ i-й номенклатуры.

Положение любого объекта (СЧ КАС) в пространстве определяется положением его вершины A^' и углом поворота его осей относительно центра системы координат объекта (КАС), СЧ которого он является (фиг. 2).

Расстановка модулей внутри аппаратной происходит по принципу «матрешки», где центр системы координат вышестоящего объекта (КАС) (вершина А) является точкой начала координат для определения положения вложенных в него объектов (СЧ КАС) (вершина A^'). Данный принцип задания положения объектов в пространстве реализован при проектировании КАС (Средства поражения и боеприпасы: Учебник. / Под общ. ред. В.В Селиванова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - С. 50-51).

В блоке 3 моделируют применение СП на время Δt по элементам СУС (по СЧ КАС). Действие СП по СЧ КАС сопровождается соударением при относительно умеренных скоростях, при этом в зависимости от свойств материалов ударника и цели в диапазоне от нескольких сотен м/с до 2,5 км/с внедрение происходит по переходному механизму. В этих условиях степень поражения СЧ КАС зависит от скорости удара и толщины СЧ. Толщина пробиваемой СЧ КАС при переходном механизме внедрения пропорциональна импульсу ударника, в связи с чем для оценки h_ст используется критерий удельного импульса - i, который линейно зависит от толщины преграды (Средства поражения и боеприпасы: Учебник. / Под общ. ред. В.В Селиванова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - С. 85-88; Балаганский И.А., Мержневский Л.А. Действие средств поражения и боеприпасов: Учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - С. 67-81):

где V - текущая скорость осколка (поражающего элемента);

m - масса осколка;

S_ср - среднее значение площади миделя осколка на полете.

Для определения скорости встречи поражающего элемента (ПЭ) с целью необходимо воспользоваться исследованиями в области внешней баллистики осколков. Движение осколка в воздухе рассматривается при следующих допущениях:

- плотность воздуха ρ_в вдоль траектории постоянна;

- влияние силы тяжести пренебрежимо мало;

- площадь миделя осколка на полете равна ее среднему значению S_ср;

- коэффициент лобового сопротивления c_x, не зависит от скорости осколка.

Закон изменения скорости ПЭ в функции от пройденного расстояния x является известным законом экспоненциального затухания скорости осколка на полете и имеет вид:

где V₀ - начальная скорость осколка (поражающего элемента);

А - баллистический коэффициент, 1/м.

В блоке 4 моделируют измерения расстояния от точки подрыва СП до элемента СУС (СЧ КАС), расчет и запоминание значения параметров повреждения их СЧ, при этом определяют расстояния от места взрыва, на котором осколок еще сохраняет скорость, необходимую для поражения цели (убойную скорость V_уб) (Балаганский И.А., Мержневский Л.А. Действие средств поражения и боеприпасов: Учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - С. 67-81):

Баллистический коэффициент находится по формуле:

где Ф - безразмерный параметр формы осколка;

γ₀ - плотность материала осколка;

γ₀ - начальная скорость осколка;

A - баллистический коэффициент, 1/м.

Для достоверной оценки действия осколочного поля необходимо знать их массу и форму. Значения параметра формы осколка приведены в (Балаганский И. А., Мержневский Л.А. Действие средств поражения и боеприпасов: Учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - С. 80).

В соответствии с принятыми допущениями для стального осколка на уровне земли убойный интервал может быть определен по экспериментальной формуле:

где I_уб - убойный интервал, м;

m - масса осколка, г;

c_x=1,21 - коэффициент лобового сопротивления осколка, б/р;

Ф - параметр формы осколка, б/р;

V_уб - убойная скорость осколка, м/с.

Убойная скорость осколка при тех же допущениях может быть рассчитана по следующей формуле:

где h_ст - стальной эквивалент цели, мм.

Таким образом, для определения толщины пробиваемой преграды необходимо выполнить расчеты в следующей последовательности:

- согласно выражению (4) находим баллистический коэффициент А;

- при известном расстоянии от точки взрыва до СЧ КАС (x) вычисляем текущую скорость осколка (V) в точке соударения с преградой по формуле (2);

- опираясь на выражение (6) производим расчет стального эквивалента цели (СЧ КАС), (h_ст), т.е. предельную толщину пробиваемой (поврежденной) преграды:

В блоке 5 моделируют сравнение рассчитанного значения критериальных параметров повреждения СЧ КАС (h_ст) с требуемыми, принимается решение о пробитии преграды (поражении СЧ КАС). В случае, если СЧ КАС поражены, то осуществляется переход к блоку 7.

Если СЧ КАС не поражены, то производят остановку процесса моделирования (блок 6).

В блоке 7 по степени поражения СЧ КАС моделируют определение номенклатуры и количества ЗИП для проведения ремонта СЧ КАС. Моделирование проводят с учетом выбранного показателя достаточности комплекта ЗИП, требуемого К_г и количества типов требуемых запасных элементов, предусматриваемых на основе спецификации или принципиальных схем СЧ КАС (Надежность и эффективность в технике: Справочник. В 10 т. / Ред. совет: B.C. Авдуевский и др. Т. 8.: Эксплуатация и ремонт / Под ред. В.И. Кузнецова и Е.Ю. Барзиловича. - М.: Машиностроение, 1990. - С. 162-171).

В блоке 8 моделируют определение вида ремонта элементов СУС (СЧ КАС). Вид ремонта определяется с учетом: номенклатуры и необходимого количества ЗИП, прогнозируемых трудозатрат на проведение ремонта, степени восстановления технического ресурса и технологии ремонта (Збиняков А.Н., и др. Техническое обеспечение связи и автоматизированных систем управления телекоммуникационных систем: Пособие. - Орел: Академия Спецсвязи России, 2004. С. 72-76, 80-87).

В блоке 9 моделируют определение общего времени нахождения СЧ КАС в работоспособном - T_р и общего времени нахождения СЧ КАС в неработоспособном состоянии - T_в. СЧ КАС могут быть как в работоспособном, так и в неработоспособном состояниях, причем при восстановлении СЧ КАС переходит из одного технического состояния в другое. В процессе эксплуатации КАС может побывать в каждом из возможных технических состояний многократно. Их (КАС) функционирование целесообразно описывать графом или цепью, узлы которых соответствуют техническим состояниям КАС, а ветви указывают все возможные переходы из одного технического состояния в другое (Эксплуатация и ремонт средств связи. / Под ред. А.Я. Маслова -СПб.: ВИККА им. А.Ф. Можайского, 1995. - С. 91-96).

В блоке 10 моделируют определение коэффициента готовности - К_г СЧ КАС. Оценивание коэффициента готовности - К_г проводится на основе уравнений функционирования при следующих допущениях: потоки отказов СЧ КАС являются простейшими, время восстановления изменяется по нормальному закону (Эксплуатация и ремонт средств связи / Под ред. А.Я. Маслова - СПб.: ВИККА им. А.Ф. Можайского, 1995. С. 192-194). Теоретические основы технической эксплуатации средств телекоммуникационных систем: учебное пособие / [А.М. Лабунец, В.А. Любимов, И.В, Лутохин и др.]; под общ. ред. А.М. Лабунца. - Орел: Академия ФСО России, 2010. - С. 165-170).

В блоке 11 моделируют сравнение коэффициента готовности СЧ КАС с его требуемым значением К_г≥К_{г треб}. В случае, если рассчитанное значение коэффициента готовности СЧ КАС не удовлетворяет требуемому значению, то осуществляется переход к блоку 12.

Если полученное значение коэффициента готовности СЧ КАС удовлетворяет требуемому значению, то производят остановку процесса моделирования (блок 6).

В блоке 12 моделируют прогнозирование технического состояния элементов СУС (СЧ КАС) с учетом времени воздействий СП и времени нахождения элементов СУС в неработоспособном состоянии. При этом определяется параметр потока отказов в течение времени Δt - ω(Δt) (Эксплуатация и ремонт средств связи. / Под ред. А.Я. Маслова - СПб.: ВИККА им. А.Ф. Можайского, 1995. - С. 69-70:

где (Δt) - число отказов в результате повреждений i-й СЧ КАС;

N₀ - число однотипных восстанавливаемых СЧ КАС.

Вероятность безотказной работы СЧ КАС P(At) за время Δt определяется по формуле:

Прогнозирование технического состояния возможно проводить по внутренним параметрам и по выходным параметрам. При этом техническая реализация процесса прогнозирования известна в виде технических устройств из широкого круга технической литературы (Эксплуатация и ремонт средств связи. / Под ред. А.Я. Маслова - СПб.: ВИККА им. А.Ф. Можайского, 1995. - С. 290 – 310. Технические средства диагностирования: Справочник / В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1989. - С. 156-161).

В блоке 13 моделируют определение коэффициента оперативной готовности СЧ КАС - К_ог. Для определения коэффициента оперативной готовности - К_ог возможна вероятностная оценка, в том числе с учетом любых распределений наработки между повреждениями и времени восстановления, а также возможна статистическая оценка - отношение числа СЧ КАС, работоспособных в произвольный достаточно удаленный и проработавших затем в течение заданного времени, к общему числу СЧ КАС (Надежность и эффективность в технике: Справочник. В 10 т. / Ред. совет: B.C. Авдуевский и др. Т. 5.: Проектный анализ надежности / Под ред. В.И. Патрушева и А.Е. Рембезы. - М.: Машиностроение, 1988. - С. 30):

В блоке 14 моделируют сравнение коэффициента оперативной готовности СЧ КАС с его требуемым значением К_ог≥К_{ог треб}. В случае, если рассчитанное значение коэффициента оперативной готовности - К_ог СЧ КАС удовлетворяет требуемому значению, то осуществляется переход к блоку 15.

Если полученное значение коэффициента оперативной готовности - К_ог СЧ КАС не удовлетворяет требуемому значению, то осуществляется переход к блоку 2.

В блоке 15 моделируют фиксацию полученного значения коэффициента оперативной готовности - К_ог СЧ КАС и вывод информации с помощью технических средств автоматизации лицу, принимающему решение. В качестве технических средств автоматизации могут использоваться штатные электронно-вычислительные машины (ЭВМ), устройства сопряжения и передачи данных, каналы связи (Эксплуатация и ремонт средств связи. / Под ред. А.Я. Маслова - СПб.: ВИККА им. А.Ф. Можайского, 1995. - С. 415-426; Основы теории управления в системах военного назначения. Часть 1. Учебное пособие. Е.А. Карпов и др. / Под редакцией А.Ю. Рунеева и И.В. Котенко СПб.: ВУС, 2000. - С. 46-50, 177-183).

Оценка эффективности предлагаемого способа проводилась путем сравнения достоверности оценки полученных результатов при моделировании функций управления и связи для способа-прототипа и при моделировании функций управления и связи для предлагаемого способа.

Из формулы 11.8.6 (Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит. - 1988 г., 480 с., стр. 463):

,

где Ф - функция Лапласа;

N - количество моделируемых событий (N=N₀⋅k, где: N₀ - количество отличительных признаков; k - число реализаций в каждом отличительном признаке);

Р_ош - реальное значение оценки;

- требуемое значение оценки;

ε - величина доверительного интервала,

определим достоверность оценки моделируемых процессов, принимая:

.

Перейдем от функции Лапласа к ее аргументу (Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. Иванов Е.В. СПб.: ВАС, 1992, 206 с., стр. 14):

.

Тогда:

.

Для случая, когда р_ош; вычислить не удается, можно воспользоваться упрощенной формулой для наихудшего случая . Тогда: .

Определим и , принимая ε=0,05, k=1000 для каждого отличительного признака, N=4000 для прототипа при моделировании: а) системы управления и связи, б) определения значения показателя относительной структурной значимости СУС, в) определения общих времен нахождения их в работоспособном и неработоспособном состояниях, г) определения коэффициента готовности СУС и N=5000 для предлагаемого способа при моделировании: а) расположения элементов СУС в трехмерном пространстве, б) воздействий СП на элементы СУС в трехмерном пространстве, в) определения вида ремонта с учетом вида повреждения и определения номенклатуры ЗИП, г) прогнозирования технического состояния элементов СУС с учетом времени воздействий СП и времени нахождения элементов СУС в неработоспособном состоянии, д) определения коэффициента оперативной готовности СУС.

Оценка эффективности заявленного способа:

;

Таким образом, решается задача изобретения.